Модуль eMPack для транспортного привода XXI века

Общие положения

При разработке модулей семейства eMPack использовались новейшие технологии силовой электроники, а сам конструктив eMPack отличается сверхнизкой индуктивностью. Благодаря прижимному способу подключения чипов (DPD) удалось значительно снизить суммарное тепловое сопротивление, а применение двустороннего спекания (DSS) кардинально улучшило стойкость конструктива к активному и пассивному термоциклированию. Все сказанное позволило существенно поднять плотность мощности и повысить надежность, что делает eMPack оптимальным выбором для всех видов транспортных приводов.

Рис. 1. Отладочный комплект eMPack Application Kit

С помощью отладочного комплекта eMPack Application Kit можно спроектировать прототип инвертора (рис. 2), выполнить измерения всех необходимых параметров, настроить алгоритмы управления и выработать рекомендации по созданию различных автомобильных систем. Изделие не предназначено для эксплуатации в составе реального транспортного привода, поскольку не прошло весь необходимый набор квалификационных испытаний.

Рис. 2. Функциональная схема инвертора eMPack Application Kit

Состав eMPack Application Kit

В составе отладочного комплекта предусмотрены следующие компоненты:

• модуль eMPack с крепежными винтами и изолирующими втулками для подключения к силовым AC/DC-терминалам;
• плата драйвера;
• звено постоянного тока с пленочными конденсаторами;
• монтажная плита охлаждения с прокладкой и крепежными винтами.

Все перечисленные компоненты заказываются по отдельности, каталожные номера приведены в таблице.

Силовой модуль eMPack

Конструкция DC-терминалов eMPack, размещенных на противоположной стороне от АС-выхода (рис. 3а), обеспечивает простоту подключения планарной шины звена постоянного тока. Крепление DC- и AC-выводов производится винтами с изолирующими втулками. Сигнальные контакты модуля предназначены для соединения с драйвером методом прессовой посадки (press-fit) или с помощью пайки.

Рис. 3. Силовой модуль eMPack:
а) конструкция;
б) электрическая схема

Плата управления

Драйвер затворов поставляется вместе с отладочным комплектом, его размеры (длина 166 мм, ширина 75,5 мм) соответствуют габаритам eMPack. На рис. 4 показаны элементы, расположенные на верхней стороне платы управления. Восемь монтажных отверстий диаметром 3 мм (отмечены зеленым цветом) предназначены для установки на силовой модуль eMPack, подробная информация об этом соединении приведена в «Инструкции по монтажу» [3]. Функциональные возможности драйвера описаны далее.

Рис. 4. Плата драйвера с сигнальным коннектором Х01

Пользовательский интерфейс обеспечивается 50-выводным коннектором X01 типа SMC-B 50-SMD-type7-03 (производитель ERNI, артикул 154765). Доступны кабельные сборки с ответной частью разъема в различных конфигурациях с ленточным кабелем AWG 30/7 [5].

Звено постоянного тока

На рис. 5 показан блок конденсаторов звена постоянного тока. Благодаря планарному способу подключения DC-шина имеет очень низкую паразитную индуктивность, согласованную с внутренней распределенной индуктивностью силового модуля eMPack.

Рис. 5. Блок конденсаторов DC-шины

Терминалы постоянного тока DC– и DC+ снабжены двумя нажимными гайками M5 для подключения высоковольтной батареи или источника питания. Блок конденсаторов также имеет четыре монтажных отверстия диаметром 4,6 мм, позволяющих установить его на радиатор.

В зависимости от класса напряжения силового модуля блок конденсаторов доступен в двух исполнениях:

• eMP300-800-APK-DC-CAP (емкость 900 мкФ, номинальное/максимальное рабочее напряжение 500/600 В);
• eMP900-045-APK-DC-CAP (емкость 300 мкФ, номинальное/максимальное рабочее напряжение 750/900 В).

Система охлаждения

Входящая в отладочный комплект монтажная плита с каналами жидкостного охлаждения (рис. 6) предназначена для соединения с базовой платой eMPack, выполненной по технологии PinFin. Герметичность обеспечивается уплотнительной прокладкой, расположенной по контуру. В плите предусмотрено восемь резьбовых отверстий M4 для соединения с радиатором eMPack, шесть резьбовых отверстий M5 для крепления AC/DC-терминалов и два резьбовых отверстия 1/2 дюйма для установки штуцеров охлаждающей системы.

Рис. 6. Монтажная плита системы охлаждения

В составе системы охлаждения eMP-APK-cooling-through-V1 кроме монтажной плиты имеется уплотнительная прокладка и восемь винтов М4 (артикул 19285402).

При выборе типа тосола следует учитывать характеристики используемых материалов. Проверка совместимости элементов контура охлаждения необходима для того, чтобы избежать коррозии или замерзания при низких температурах. В большинстве случаев SEMIKRON рекомендует использовать смесь воды и гликоля с ингибитором коррозии, при этом содержание гликоля должно быть не менее 10%. Дополнительную информацию можно найти в «Инструкции по монтажу eMPack» [3].

Сборка и тестирование инвертора

Перед подачей питания на отладочный комплект он должен быть полностью собран в соответствии с «Инструкцией по монтажу eMPack» [3]. Ответственность за монтаж, подключение и соблюдение всех требований безопасности лежит на пользователе.

После сборки необходимо выполнить проверку изоляции инвертора, чтобы устранить возможные ошибки и обеспечить безопасную эксплуатацию. Испытательное напряжение 1500 В (АС) подается между замкнутыми контактами сигнального разъема X01 и высоковольтными выводами (терминалы +DC, –DC, АС и радиатор). Тест изоляции устройства проводится в течение 6 с, ток утечки не должен превышать 3 мА, при нарушении этого условия следует отключить высокое напряжение и тщательно проверить элементы конструкции на предмет повреждения.

Драйвер затворов

Основные особенности

Компактные размеры модулей семейства eMPack ограничивают пространство для установки драйвера. Плата управления отладочного комплекта eMPack должна удовлетворять требованиям функциональной безопасности, соответствующим автомобильным стандартам (например, ISO26262), поскольку имеет очень ограниченную площадь, необходимую для минимизации габаритов привода.

На блок-схеме драйвера (рис. 7) показаны высоковольтные (HV) и низковольтные каскады (LV), разделенные гальваническим барьером.

Рис. 7. Блок-схема драйвера затворов

Источник питания драйвера

Входные (низковольтные) каскады драйвера питаются от импульсного источника, входное напряжение которого (+5 В) подается на разъем Х01. В составе DC/DC-конвертера есть изолированный контроллер 1EDI2002AS и датчики напряжения ACPL-C87B.

Основным элементом источника питания выходных (высоковольтных) каскадов являетсяконтроллер PSU-трансформатора MAX13256 компании Maxim Integrated, установленный вместе с изолирующим трансформатором в каждом из шести каналов платы управления затворами. Микросхема MAX13256 обеспечивает следующие сигналы контроля и обратной связи на разъеме X01:

• NFLT_PSU — активный сигнал ошибки (низкого уровня) генерируется при детектировании перегрева или перегрузки по току одного из шести контроллеров PSU;
• NEN_PSU_IN — подача логического 0 требуется для активации всех шести контроллеров PSU. При подаче сигнала высокого уровня (+5 В) они блокируются.

Питание MAX13256 осуществляется от напряжения 12 В на разъеме X01, которое должно подаваться до активации PSU по сигналу NEN_PSU_IN. На рис. 8 показан фрагмент схемы высоковольтного источника питания.

Рис. 8.
а) Источник питания выходных каскадов драйвера;
б) выпрямитель в выходном каскаде, формирование напряжения смещения затвора

Вторичный каскад драйвера затвора содержит мостовой выпрямитель, напряжение смещения затвора формируется последовательным соединением трех стабилитронов с тремя параллельными резисторами (на рис. 8б они выделены зеленой рамкой).

Схема управления затвором

Каскад управления IGBT построен на базе ICEiceDRIVER 1EDI2002AS с биполярным бустером 1EBN1001AE. Интегральная схема 1EDI2002AS представляет собой высоковольтный драйвер изолированного затвора, сертифицированный для применения в автомобильных приводах. Он реализует набор функций, обеспечивающих требования функциональной безопасности на системном уровне (в соответствии со стандартом ISO 26262). Бустер 1EBN1001AE, формирующий ток включения/выключения до 15 А, также квалифицирован для применения в автомобильных приложениях.

Резисторы затвора (R_Gon, R_Goff)

На плате драйвера предусмотрено четыре отдельные площадки для установки резисторов включения и выключения (R_Gon, R_Goff) типоразмера MiniMELF 0204: R_Gon (выделены красной рамкой на рис. 9) и R_Goff (выделены синей рамкой). Для корректной работы драйвера все монтажные площадки должны быть заняты.

Рис. 9. Положение резисторов RGon, RGoff на верхней стороне PCB

Значения R_Gon, R_Goff следует выбирать с учетом режимов работы (напряжение DC-шины, частота коммутации, потери при переключении и т. д.). Номинальные величины сопротивлений и их диапазон указаны в спецификации силового модуля.

Режим плавного отключения

Во многих устройствах управления затворами блокировка IGBT в случае перегрузки по току или КЗ производится в так называемом режиме плавного отключения, или STO (Soft Turn-Off), через резистор с номиналом намного больше R_Goff, что позволяет снизить di/dt и избежать критических перенапряжений. Недостатком такого решения является заметное увеличение потерь выключения, поэтому в данном случае режим STO не используется. При аварийной перегрузке драйвер eMPack формирует так называемую безопасную последовательность, при которой IGBT блокируется с использованием двухуровневого режима отключения.

По умолчанию эта функция не активна, ее необходимо сначала настроить и активировать через интерфейс SPI. Более подробная информация приводится в спецификации Infineon 1EDI2002AS [4].

Защита V_CE-DESAT

Функция DESAT, реализованная в драйвере 1EDI2002AS, предназначена для блокировки IGBT в случае короткого замыкания. Падение напряжения на открытом транзисторе V_CE(sat) контролируется по выводу DESAT. Этот сигнал фильтруется внешней RC-цепью (1 кОм/100 нФ), а для защиты входа драйвера от высоковольтного напряжения он отделен от коллектора двумя последовательно соединенными диодами MURS160T3.

Фрагмент схемы показан на рис. 10а. При включении IGBT напряжение на выводе DESAT принудительно уменьшается до низкого уровня на время блокировки схемы защиты t_bl (длительность t_bl определяется в соответствующих регистрах 1EDI2002AS). По истечении этого времени на вывод DESAT начинает поступать отфильтрованное напряжение «коллектор-эмиттер» V_CE(sat), которое сравнивается с внутренним опорным сигналом. Из-за наличия развязывающего конденсатора (100 нФ) к t_bl добавляется дополнительное «аналоговое» время блокировки, определяемое временем заряда емкости через внутреннее подтягивающее сопротивление.

Рис. 10. Защита от перегрузки по току и напряжению:
a) внешние элементы схемы DESAT;
б) внешние элементы схемы активного ограничения

Если величина V_CE(sat) превышает установленное пороговое значение, схема 1EDI2002AS инициирует режим отключения и формирует сигнал неисправности. Более подробная информация доступна в спецификации Infineon 1EDI2002AS [4].

Активное ограничение и дополнительные компоненты в цепи «затвор-эмиттер»

Отладочный комплект помогает пользователю реализовать функцию активного ограничения напряжения на коллекторе (рис. 10б). На нижней стороне платы драйвера для этого предназначено пять площадок для монтажа TVS-диодов-супрессоров (TVS) в корпусе SMB (DO 214AA) на каждый IGBT. Плата управления поставляется без TVS-диодов, они устанавливаются пользователем.

Кроме функции активного ограничения, для защиты затворов IGBT на плате драйвера установлены RC-цепочки (10 кОм/10 нФ) по входу каждого транзистора. Два ограничивающих диода, включенных между затвором и шинами питания +15 и –8 В, защищают IGBT от переходных перенапряжений в цепи управления. Дополнительные компоненты в цепи GE выделены зеленым цветом на рис. 10б.

Измерение напряжения DC-шины

Плата драйвера содержит две (резервные) изолированные цепи для измерения напряжения на DC-шине, одна из них показана на рис. 11.

Рис. 11. Схема измерения напряжения DC-шины (канал 1)

Измерение производится с помощью высокоимпедансного изолированного датчика ACPL-C87B. Схема контролирует напряжение V_DC на сигнальном выводе коллектора TOPIGBT (шина +DC) и эмиттера ВОТ IGBT (шина –DC) фазы W. Величина V_DC снижается до значения, находящегося в рабочем диапазоне датчика, с помощью резистивного делителя R49–R53/R54 (первый канал) и R60–R64/R65 (второй канал).

Оба изолированных сенсора питаются от +15 В (IGBT T6). Дифференциальный выходной сигнал ACPL-C87 преобразуется в односторонний аналоговый сигнал с помощью операционного усилителя. Выходы измерителей, формирующих аналоговое напряжение 0–5 В, подключены к контактам В21 и А22 разъема X01.

Режим отладки

Вывод DEBUG на драйвере 1EDI2002ASGate дает возможность управлять устройством в так называемом режиме отладки без интерфейса SPI (рис. 12). Этот режим предназначен только для исследований, его нельзя использовать в готовых системах.

Рис. 12. Установка режима отладки

Состояние отладки на плате активировано по умолчанию. Для перевода драйвера EICE в стандартный режим SPI необходимо удалить резисторы R123, R223, R323, R423, R523 и R623, а вывод DEBUG оставить открытым.

SPI-интерфейс

Драйвер затвора 1EDI2002AS поддерживает интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface), обеспечивающий стандартизированную двунаправленную связь с управляющим контроллером. SPI использует четыре сигнала коммуникации:

• NCS: чип не выбран;
• SCLK: последовательный тактовый сигнал;
• SDI: последовательный ввод данных (DataIn);
• SDO: последовательный вывод данных (DataOut).

Для упрощения трассировки PCB и уменьшения количества выводов контроллера использована последовательная схема, показанная на рис. 13. В обычной топологии шины SPI ведомые устройства имеют отдельные адреса, назначаемые сигналами (отрицательными) выбора чипа каждого устройства. При использовании последовательной топологии все подчиненные устройства соединены с одной и той же цепью выбора чипа основного контроллера, то есть они адресуются одновременно. Их подключение осуществляется последовательно посредством сигналов SDO и SDI. На каждом положительном фронте сигнала SCLK (в это время NCS активен) выходной регистр сдвига последовательно смещается на 1 бит на выводе SDO (начиная с MSB). На каждом отрицательном фронте тактового импульса бит данных, доступный на входе SDI, фиксируется и последовательно сдвигается во входной регистр.

Рис. 13. Топология последовательной шины SPI

Подробное описание интерфейса SPI и регистров SPI дано в спецификации драйвера 1EDI2002AS. Обратите внимание, что по умолчанию устройство сконфигурировано для режима отладки. В этом режиме работа конечного автомата изменяется, что позволяет работать без SPI-интерфейса. Для настройки через SPI в драйвере 1EDI2002AS должен быть сконфигурирован нормальный режим работы.

Обработка сигнала ошибки

Помимо SPI-интерфейса, драйвер 1EDI2002AS имеет несколько выводов обратной связи и управления, что позволяет пользователю быстро реагировать на определенные события в критически важных ситуациях.

Формирование сигналов неисправности

Драйвер 1EDI2002AS формирует два сигнала ошибки (выводы с открытым стоком NFLTA и NFLTB), соответствующих основным аварийным ситуациям (класс событий A или B) и передаваемых на управляющий контроллер. При аварии класса A сигнал NFLTA принимает состояние логического 0, при аварии класса B соответственно NFLTB принимает нулевое значение. В общем случае активация сигналов NFLTA или NFLTB связана с переходом состояний внутренней «стейт-машины» устройства. Более подробная информация об управлении ошибками и переходах состояний приведена в спецификации 1EDI2002AS [4].

Для того чтобы уменьшить количество выводов интерфейса драйвера, сигналы ошибок для трех ключей верхнего уровня NFLTA и NFLTB и трех ключей нижнего уровня (NFLTA_LS, NFLTB_LS) суммируются (рис. 14). Если один из транзисторов ТОР или ВОТ выдает ошибку, выводы NFLTA_LS, NFLTB_LS будут переведены в состояние логического 0 (LOW).

Рис. 14. Формирование сигналов ошибки и сброса

Сигнал Reset

Драйвер 1EDI2002AS формирует сигнал RST/RDY, сочетающий функции сброса (Reset) и уведомления о готовности (Ready). Его активация связана со статусом вывода Reset драйвера. При сбросе сигнал NRST/RDY переводится в состояние LOW. Высокий уровень на этом выводе указывает, что чип работает и устройство будет приведено в состояние по умолчанию, поэтому данный сигнал также информирует о готовности. Для получения подробной информации можно обратиться к спецификации 1EDI2002AS.

Для того чтобы уменьшить количество выводов интерфейса драйвера, сигналы Reset для трех ключей верхнего уровня NRST/RDY
и трех ключей нижнего уровня (NRST_LS_OUT) суммируются (рис. 14). Если один из них принимает состояние Reset, то соответствующий суммарный сигнал (NRST_HS_OUT, NRST_LS_OUT) будет переведен в состояние LOW.

Сигнал разрешения Enable

Драйвер 1EDI2002AS формирует сигнал EN/FEN, позволяющий логической схеме первичного каскада осуществлять прямой контроль состояния устройства. Переход статуса сигнала из «допустимого» в «недопустимый» генерирует класс события A. Активное управление им осуществляется пользовательским контроллером. При отсутствии внешнего управления на выводе EN/FEN формируется уровень LOW благодаря наличию небольшого входного резистора утечки. Более подробная информация в спецификации 1EDI2002AS [4].

Для уменьшения количества выводов интерфейса драйвера сигналы EnableEN/FEN для транзисторов верхнего и нижнего уровня суммируются (рис. 14). Таким образом по входу EN производится управление всеми шестью ключами одновременно.

Защита от сквозного тока

Драйвер 1EDI2002AS обеспечивает защиту силового каскада от сквозного тока (STP — Shoot Through Protection), запрещая одновременное включение транзисторов верхнего и нижнего плеча полумоста (рис. 15).

Рис. 15. Защита от сквозного тока (STP)

На вход драйвера INSTP поступает ШИМ-сигнал с управляющего контроллера. Наличие функции STP позволяет ключу ТОР отслеживать состояние оппозитного ключа ВОТ. При открытом нижнем транзисторе (сигнал высокого уровня HIGH на выводе INP) активация соответствующего верхнего транзистора (сигнал HIGH на выводе INP) блокируется (и наоборот). Если в течение периода блокировки приходит сигнал высокого уровня, фиксируется состояние ошибки. Минимальное «мертвое» время t_dt определяется аппаратными средствами драйвера 1EDI2002AS и может быть дополнительно отрегулировано через интерфейс SPI. Более подробная информация по настройке режима STP доступна в спецификации 1EDI2002AS [4].

Измерение температуры

В модулях eMPack IGBT для измерения температуры используются NTC-сенсоры, имеющиеся в каждой полумостовой стойке. Они установлены на DBC-подложке рядом с чипами IGBT/FWD и отражают фактическую температуру корпуса. Условия охлаждения оказывают сильное влияние на распределение температуры внутри силового модуля, поэтому необходимо оценить зависимость температуры в интересующей точке (например, на чипе) от сигнала, получаемого с датчика.

Сенсор NTC R₂₅ имеет номинальное сопротивление 4,7 кОм при +25 °C. Для получения точных показаний ток измерителя должен находиться в диапазоне 1–3 мА. Математическая зависимость сопротивления датчика (R_NTC) от температуры (T_DCB) задается уравнением:

где R₂₅ — сопротивление датчика при номинальной температуре (T_nom = +25 °C); B_25/85 — материальная константа; T — абсолютная рабочая температура (T_DCB + 273,15 K).

Значения R₂₅ и B_25/85 приводятся в спецификации eMPack. На рис. 16 показан фрагмент характеристики eMPack NTC в наиболее важном диапазоне +25…+150 °C.

Рис. 16. Характеристика NTC-сенсора eMPack

Условия эксплуатации

Абсолютные значения

Отладочный комплект eMPack Application Kit допускает в соответствии со спецификацией работу в следующих условиях:

• диапазон температур окружающей среды T_a:–0…+40 °C (Примечание. Все используемые компоненты рассчитаны на температуру –40…+125 °C, однако комплект тестировался в указанном диапазоне);
• напряжение DC-шины V_DCmax: 600 В (eMP1020MD075SC2SV1DPD), 900 В (eMP780MD12SC2SV1DPD);
• максимальная частота коммутации F_sw: 16 кГц.

Изоляция драйвера

В целях безопасности плата драйвера разделена на две изолированные части: низковольтную, содержащую входной интерфейс X01 и схему формирования аналогового и цифрового сигналов, и высоковольтную, состоящую из выходного каскада драйвера, а также узлов мониторинга и защиты. Изоляция первичного и вторичного каскадов осуществляется за счет трансформаторов, DC/DC-конвертеров и оптопар.

По функциональным соображениям выходные каскады драйверов транзисторов верхнего и нижнего плеча (ТОР и ВОТ) также разделены с помощью изоляционного барьера.